WO2010082272A1 - Semiconductor device and method for producing the same - Google Patents
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- H10D64/512—Disposition of the gate electrodes, e.g. buried gates
- H10D64/513—Disposition of the gate electrodes, e.g. buried gates within recesses in the substrate, e.g. trench gates, groove gates or buried gates
Definitions
- the present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a semiconductor device having reverse blocking characteristics and a manufacturing method thereof.
- a direct conversion type power conversion circuit represented by a matrix converter has attracted attention.
- power conversion is realized by a combination of bidirectional switches.
- a semiconductor switching device cannot maintain an off characteristic when a negative drain voltage is applied. Therefore, as shown in FIG. 9, a bidirectional switch has been realized by combining two series connection circuits of diodes and transistors.
- FIG. 14A The ON characteristics of such a bidirectional switch are schematically shown in FIG. 14A. Since this bidirectional switch is composed of a Schottky diode and an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), an on-voltage of 3 V is generated by adding 1 V of the diode and 2 V of the IGBT. As a result, the power in the hatched portion in the figure is lost as a loss by the switch.
- IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
- the switch part can be composed of a field effect transistor (FET), such a loss can be minimized.
- FET field effect transistor
- the FET usually does not have a so-called reverse blocking characteristic that prevents reverse current.
- FIG. 10 schematically shows drain I (current) -V (voltage) characteristics of an FET that does not have reverse blocking characteristics. Even when the drain voltage is positive, the gate potential shifts to the positive side when the drain voltage becomes negative even under the gate voltage condition where the drain voltage is positive. As a result, the channel opens and reverse current flows. When a positive gate voltage V G is applied, the reverse current increases as V G1 , V G2 , V G3 and the gate voltage V G increase.
- FIG. 11 schematically shows the drain IV characteristics of an FET having reverse blocking characteristics. Even if the drain voltage is negative, the reverse blocking characteristic can be maintained regardless of the gate voltage V G (V G1 ⁇ V G2 ⁇ V G3 ). If such an FET is used, the bidirectional switch can be configured as shown in FIG. As a result, it is possible to reduce the cost by reducing the number of parts and downsizing by reducing the mounting area. Furthermore, the loss at the time of ON can be reduced by omitting the diode.
- Patent Documents 1 and 2 propose FETs having a drain electrode as a Schottky contact.
- FIG. 13 shows the semiconductor device disclosed in FIG.
- a channel layer 101 made of an n-type SiC layer is formed on a semi-insulating substrate 105.
- a source electrode 103 in ohmic contact and a drain electrode 102 in Schottky contact are formed.
- a gate electrode 104 is formed in Schottky contact between both electrodes.
- a metal layer 106 is formed on the back surface of the semi-insulating substrate 105.
- the on-resistance increases because the on-voltage of the Schottky diode is added to the on-characteristic of the transistor.
- the ON characteristics of the switch in this case are shown in FIG. 14B. Since the transistor is changed from IGBT to FET, the on-voltage is lowered, but the on-voltage of the drain Schottky portion remains about 1V. For this reason, when a bidirectional switch is constituted by transistors having such a configuration, there is a problem that the loss of the switch portion cannot be sufficiently reduced.
- the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a semiconductor device capable of achieving both reverse blocking characteristics and low on-resistance.
- a semiconductor device includes: A first semiconductor layer including a channel layer; A source electrode formed on the first semiconductor layer; A drain electrode formed on the first semiconductor layer and spaced apart from the source electrode; A gate electrode formed between the source electrode and the drain electrode on the first semiconductor layer; The drain electrode is A first drain region in which a reverse current between the first semiconductor layer and the first semiconductor layer is blocked; And a second drain region that is formed farther from the gate electrode than the first drain region and has a lower resistance to the first semiconductor layer than the first drain region.
- a method for manufacturing a semiconductor device includes: Forming a first semiconductor layer including a channel layer; Forming a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode between the source electrode and the drain electrode on the first semiconductor layer, and The drain electrode is A first drain region in which a reverse current between the first semiconductor layer and the first semiconductor layer is blocked; And a second drain region that is formed farther from the gate electrode than the first drain region and has a lower resistance to the first semiconductor layer than the first drain region.
- FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a field effect transistor according to a first embodiment.
- 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a field effect transistor according to Example 1.
- FIG. It is a conceptual diagram which shows the ON characteristic and loss of the bidirectional
- FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure of a field effect transistor according to a second embodiment. 6 is a cross-sectional view showing a structure of a field effect transistor according to Example 2.
- FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a field effect transistor according to a third embodiment.
- FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a field effect transistor according to Example 3.
- FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a field effect transistor according to a fourth embodiment.
- 6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a field effect transistor according to Example 4.
- FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a field effect transistor according to a fifth embodiment.
- 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a field effect transistor according to Example 5.
- FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a field effect transistor according to a sixth embodiment. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a field effect transistor according to Example 6.
- FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a field effect transistor according to a seventh embodiment. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a field effect transistor according to Example 7.
- FIG. It is a figure which shows the circuit structure of a general bidirectional switch. It is a figure which shows the drain IV characteristic of the field effect transistor which is not provided with a reverse blocking characteristic. It is a figure which shows the drain IV characteristic of a field effect transistor provided with a reverse blocking characteristic. It is a figure which shows the circuit structure of the bidirectional
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the field effect transistor disclosed in FIG. It is a conceptual diagram which shows the ON characteristic and loss of a general bidirectional switch. It is a conceptual diagram which shows the ON characteristic and loss of a bidirectional
- FIG. 1A is a cross-sectional view of a field effect transistor (FET) according to the first embodiment of the present invention.
- FET field effect transistor
- an n-type channel layer 11 is formed on a substrate 10 made of, for example, GaAs.
- the source electrode 1 in ohmic contact, the first drain electrode (first drain region) 3 and the second drain electrode provided apart from the source electrode 1 are provided.
- a (second drain region) 4 is formed.
- a gate electrode 2 that is in Schottky contact is formed between the source electrode 1 and the first drain electrode 3.
- FIG. 1A shows a configuration in which the first drain electrode 3 and the second drain electrode 4 are separated and connected to the same potential by wiring or the like, but the first drain electrode 3 and the second drain electrode 4 are in contact with each other. You may do it.
- the FET according to the present embodiment when a negative voltage is applied to the drain electrodes 3 and 4, the channel is pinched off in the region of the first drain electrode 3, the current flow is shielded, and reverse blocking characteristics are realized.
- the region of the second drain electrode 4 having a low resistance becomes a current path, and a low on-resistance is obtained.
- an insulator such as sapphire can be used as long as the channel layer 11 can be formed in the upper layer.
- the channel layer 11 a group III-V compound semiconductor such as InGaAs, InGaP, or InAlGaN, or a group IV semiconductor material such as SiC, Si, or SiGe can be used.
- the present invention is not limited to a single semiconductor layer, and a structure in which a plurality of layer structures having different impurity concentrations or an electronic layer formed at the interface by forming a heterojunction may be used as a carrier.
- a MIS (Metal-Insulator Semiconductor) structure in which a metal is arranged on a semiconductor through an insulating film, or a pn junction is provided. It is good also as the structure utilized.
- FIG. 1A all of the source electrode 1, the gate electrode 2, and the drain electrodes 3 and 4 are arranged on the same plane of the channel layer 11. For example, the gate is formed on the recess from which a part of the channel layer 11 is removed.
- the electrode 2 may be formed.
- FIG. 2 is a conceptual diagram schematically showing the on characteristics of the switch constituted by the FET according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the drain current rises linearly from approximately 0 V, and the loss of the switch portion can be minimized. This enables a low-loss and low-cost bidirectional switch.
- Example 1 which is a specific example of the first embodiment will be described.
- FIG. 1B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
- This FET is formed on a substrate 12 made of silicon or the like.
- a buffer layer 13 for relaxing lattice mismatch a channel layer 14 made of In x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1), and Al y Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ ).
- An electron supply layer 15 comprising 1) is formed in order.
- the buffer layer 13, the channel layer 14, and the electron supply layer 15 correspond to the first semiconductor layer.
- the range of 0 ⁇ x ⁇ 0.2 as the composition of the channel layer 14 and the range of 0.1 ⁇ y ⁇ 0.3 as the composition of the electron supply layer 15 is most suitable for a switching device for power control.
- the source electrode 1 and the second drain electrode 4 are both formed on the electron supply layer 15 by ohmic contact.
- a first drain electrode 3 is formed by Schottky contact between the source electrode 1 and the second drain electrode 4 in a region close to the second drain electrode 4. Further, the same potential is applied to the first drain electrode 3 and the second drain electrode 4.
- the surface of the electron supply layer 15 is covered with a surface protective film 21.
- the electron supply layer 15 and the gate electrode 2 constituting the MIS structure are formed via the gate insulating film 22.
- a part of the gate electrode 2 plays a role of mitigating electric field concentration as a bowl-shaped field plate 20 mounted on the surface protective film 21.
- MBE molecular beam epitaxy
- an electron supply layer 15 (thickness 25 nm) made of undoped Al 0.2 Ga 0.8 N is formed in order.
- an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the channel layer 14 is exposed.
- a source electrode 1 and a second drain electrode 4 are formed on the electron supply layer 15 by evaporating a metal such as Ti / Al. And it is set as ohmic contact by annealing at 650 degreeC. Further, a metal such as Ni / Au is deposited on the electron supply layer 15 to form the first drain electrode 3 having a Schottky contact.
- a surface protective film 21 made of SiN having a thickness of 50 nm is formed by a plasma CVD method or the like.
- the electron supply layer 15 is exposed by removing a part of the surface protective film 21 by etching. Further, the recess is formed by etching so that the threshold value becomes positive.
- a gate insulating film 22 made of SiO 2 having a thickness of 150 nm is formed by, for example, atmospheric pressure CVD so as to cover the exposed electron supply layer 15.
- a metal film such as Ni / Au is vapor-deposited thereon to form the MIS structure gate electrode 2 having the field plate 20.
- the FET shown in FIG. 1B is manufactured.
- the FET according to Example 1 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control.
- a negative voltage is applied to the drain electrodes 3 and 4
- the channel immediately below the first drain electrode 3 is in a pinch-off state, so that the drain current is cut off and exhibits reverse blocking characteristics.
- a positive voltage is applied to the drain electrodes 3 and 4
- a drain current flows through the low-resistance second drain electrode 4, so that a low-resistance on-characteristic can be realized.
- FIG. 3A is a cross-sectional view of the FET according to the present embodiment.
- the present embodiment is different from the first embodiment in that the first drain electrode 3 disposed at a position close to the source electrode 1 forms a MIS structure with the channel layer 11 via the insulating film 5. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
- the FET according to the present embodiment when a negative voltage is applied to the drain electrodes 3 and 4 as in the first embodiment, the channel is pinched off in the region under the first drain electrode 3 and the current flow is shielded.
- the reverse blocking characteristic is realized.
- a positive voltage is applied to the drain electrodes 3 and 4
- a region under the low-resistance second drain electrode 4 becomes a current path, and a low on-resistance is obtained.
- the first drain electrode 3 has the MIS structure, the leakage current during the reverse blocking operation can be suppressed to be lower than that in the first embodiment.
- Example 2 which is a specific example of the second embodiment will be described.
- FIG. 3B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
- This FET is formed on a substrate 12 made of silicon or the like.
- a buffer layer 13 for relaxing lattice mismatch a channel layer 14 made of In x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1), and Al y Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ ).
- An electron supply layer 15 comprising 1) is formed in order.
- the buffer layer 13, the channel layer 14, and the electron supply layer 15 correspond to the first semiconductor layer.
- the range of 0 ⁇ x ⁇ 0.2 as the composition of the channel layer 14 and the range of 0.1 ⁇ y ⁇ 0.3 as the composition of the electron supply layer 15 is most suitable for a switching device for power control.
- the source electrode 1 and the second drain electrode 4 are formed on the electron supply layer 15 by ohmic contact. Further, the surface of the electron supply layer 15 is covered with a surface protective film 21. Two openings are formed between the source electrode 1 and the first drain electrode 4, and the gate electrode 2 and the first drain constituting the MIS structure with the electron supply layer 15 via the gate insulating film 22 respectively. An electrode 3 is formed. The first drain electrode 3 is disposed adjacent to the second drain electrode 4, and the first drain electrode 3 and the second drain electrode 4 are connected to the same potential. A part of the gate electrode 2 rides on the surface protective film 21 and serves as a field plate 20 having an eaves-like shape, and plays a role of reducing electric field concentration.
- a buffer layer 13 film thickness 20 nm
- a channel layer 14 film thickness 2 ⁇ m
- An electron supply layer 15 (thickness 25 nm) made of 0.8 N is formed in order.
- an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the channel layer 14 is exposed. Subsequently, a source electrode 1 and a second drain electrode 4 are formed on the electron supply layer 15 by evaporating a metal such as Ti / Al. And it is set as ohmic contact by annealing at 650 degreeC.
- a surface protective film 21 made of SiN having a thickness of 50 nm is formed by a plasma CVD method or the like. By removing a part of the surface protective film 21 by etching, two openings where the electron supply layer 15 is exposed are formed. Further, a recess is formed in the exposed electron supply layer 15 by etching so that the threshold value becomes positive immediately below the gate electrode 2.
- a gate insulating film 22 made of SiO 2 having a thickness of 150 nm is formed by, for example, atmospheric pressure CVD so as to cover the exposed electron supply layer 15.
- a metal such as Ni / Au is vapor-deposited thereon to form the MIS structure gate electrode 2 and the first drain electrode 3 having the field plate 20. Thus, the FET shown in FIG. 3B is manufactured.
- the FET according to Example 2 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control.
- a negative voltage is applied to the drain electrodes 3 and 4
- the channel immediately below the first drain electrode 3 is in a pinch-off state, so that the drain current is cut off and exhibits reverse blocking characteristics.
- a positive voltage is applied to the drain electrodes 3 and 4
- a drain current flows through the low-resistance second drain electrode 4, so that a low-resistance on-characteristic can be realized.
- the first drain electrode 3 has the MIS structure, the leakage current during the reverse blocking operation can be suppressed to be lower than that in the first embodiment.
- FIG. 4A is a cross-sectional view of the FET according to the present embodiment.
- the first drain electrode 3 disposed at a position close to the source electrode 1 is interposed via a channel layer (first semiconductor layer) 11 and a p-type layer (second semiconductor layer) 16 having a different conductivity type.
- the difference from the first embodiment is that the channel layer 11 is formed. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
- the FET according to the present embodiment when a negative voltage is applied to the drain electrodes 3 and 4 as in the first embodiment, the channel is pinched off in the region under the first drain electrode 3 and the current flow is shielded. The reverse blocking characteristic is realized.
- a positive voltage is applied to the drain electrodes 3 and 4
- a region under the low-resistance second drain electrode 4 becomes a current path, and a low on-resistance is obtained.
- FIG. 4B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
- This FET is formed on a substrate 12 made of silicon or the like.
- a buffer layer 13 for relaxing lattice mismatch a channel layer 14 made of In x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1), and Al y Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ ).
- An electron supply layer 15 comprising 1) is formed in order.
- the buffer layer 13, the channel layer 14, and the electron supply layer 15 correspond to the first semiconductor layer.
- the range of 0 ⁇ x ⁇ 0.2 as the composition of the channel layer 14 and the range of 0.1 ⁇ y ⁇ 0.3 as the composition of the electron supply layer 15 are most suitable for the switching device for power control.
- a p-type layer 16 made of GaN is formed on the uppermost layer.
- the source electrode 1 and the second drain electrode 4 are both formed on the electron supply layer 15 by ohmic contact.
- the first drain electrode 3 is formed on the electron supply layer 15 between the source electrode 1 and the second drain electrode 4 and in the vicinity of the second drain electrode 4 via the p-type layer 16 made of GaN. .
- the first drain electrode 3 and the second drain electrode 4 are connected to the same potential.
- the surface of the electron supply layer 15 is covered with a surface protective film 21.
- the electron supply layer 15 and the gate electrode 2 constituting the MIS structure are formed via the gate insulating film 22.
- a part of the gate electrode 2 plays a role of mitigating electric field concentration as a bowl-shaped field plate 20 mounted on the surface protective film 21.
- a buffer layer 13 film thickness 20 nm
- a channel layer 14 film thickness 2 ⁇ m
- an undoped Al 0.2 Ga film on a substrate 12 made of silicon for example, by molecular beam epitaxy.
- An electron supply layer 15 film thickness 25 nm
- a p-type layer 16 film thickness 10 nm
- an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the channel layer 14 is exposed. Subsequently, the p-type layer 16 is removed by etching except for the region where the first drain electrode 3 is formed, and the electron supply layer 15 is exposed.
- the source electrode 1 and the second drain electrode 4 are formed on the exposed electron supply layer 15 by evaporating a metal such as Ti / Al. And it is set as ohmic contact by annealing at 650 degreeC. Further, a metal such as Ni / Au is deposited on the electron supply layer 15 to form the first drain electrode 3.
- a surface protective film 21 made of SiN having a thickness of 50 nm is formed by a plasma CVD method or the like.
- the electron supply layer 15 is exposed by removing a part of the surface protective film 21 by etching. Further, the recess is formed by etching so that the threshold value becomes positive.
- a gate insulating film 22 made of SiO 2 having a thickness of 150 nm is formed by, for example, atmospheric pressure CVD so as to cover the exposed electron supply layer 15.
- a metal film such as Ni / Au is vapor-deposited thereon to form the MIS structure gate electrode 2 having the field plate 20.
- the FET shown in FIG. 4B is manufactured.
- the FET according to Example 3 has normally-off characteristics, and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control.
- a negative voltage is applied to the drain electrodes 3 and 4
- the channel immediately below the first drain electrode 3 is in a pinch-off state, so that the drain current is cut off and exhibits reverse blocking characteristics.
- a positive voltage is applied to the drain electrodes 3 and 4
- a drain current flows through the low-resistance second drain electrode 4, so that a low-resistance on-characteristic can be realized.
- FIG. 5A is a cross-sectional view of the FET according to the present exemplary embodiment.
- the drain electrode 6 is formed on the channel layer (first semiconductor layer) 11.
- the side of the drain electrode 6 closer to the gate electrode 2 (first drain region) is in Schottky contact with the channel layer 11.
- the side of the drain electrode 6 far from the gate electrode 2 (second drain region) is formed in contact with a contact region (third semiconductor layer) 18 made of a high-concentration n-type impurity diffusion layer.
- the impurity concentration of the contact region 18 By making the impurity concentration of the contact region 18 sufficiently high, the electron tunnel distance is shortened, and the contact characteristic substantially close to ohmic property is realized. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
- the FET when a negative voltage is applied to the drain electrode 6, the channel is pinched off under the drain electrode 6 that is not in contact with the contact region 18, and the current blocking is performed by blocking the current flow. Realized.
- a positive voltage when a positive voltage is applied to the drain voltage 6, a drain current flows through a low-resistance current path formed on the contact region 18, and a low on-resistance is obtained.
- Example 4 which is a specific example of the fourth embodiment will be described.
- FIG. 5B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
- This FET is formed on a substrate 12 made of silicon or the like.
- a buffer layer 13 for relaxing lattice mismatch a channel layer 14 made of In x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1), and Al y Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ ).
- An electron supply layer 15 comprising 1) is formed in order.
- the buffer layer 13, the channel layer 14, and the electron supply layer 15 correspond to the first semiconductor layer.
- the range of 0 ⁇ x ⁇ 0.2 as the composition of the channel layer 14 and the range of 0.1 ⁇ y ⁇ 0.3 as the composition of the electron supply layer 15 is most suitable for a switching device for power control.
- the source electrode 1 is formed on the electron supply layer 15 by ohmic contact.
- the drain electrode 6 is formed so as to be in Schottky contact with the electron supply layer 15 on the source electrode 1 side and in contact with the contact region 18 on the side opposite to the source electrode 1.
- the surface of the electron supply layer 15 is covered with a surface protective film 21.
- the electron supply layer 15 and the gate electrode 2 constituting the MIS structure are formed via the gate insulating film 22.
- a part of the gate electrode 2 rides on the surface protection film 21 and plays a role of reducing electric field concentration as a bowl-shaped field plate 20.
- a buffer layer 13 film thickness 20 nm
- a channel layer 14 film thickness 2 ⁇ m
- An electron supply layer 15 (thickness 25 nm) made of 0.8 N is formed in order.
- an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the channel layer 14 is exposed. Subsequently, a contact region 18 that is a high-concentration n-type impurity diffusion layer extending from the electron supply layer 15 to the upper portion of the channel layer 14 is formed by ion implantation or the like.
- the source electrode 1 is formed on the electron supply layer 15 by evaporating a metal such as Ti / Al. And it is set as ohmic contact by annealing at 650 degreeC. Further, a metal such as Ni / Au is deposited on the electron supply layer 15 to form the Schottky contact drain electrode 6.
- a surface protective film 21 made of SiN having a thickness of 50 nm is formed by a plasma CVD method or the like.
- the electron supply layer 15 is exposed by removing a part of the surface protective film 21 by etching. Further, the recess is formed by etching so that the threshold value becomes positive.
- a gate insulating film 22 made of SiO 2 having a thickness of 150 nm is formed by, for example, atmospheric pressure CVD so as to cover the exposed electron supply layer 15.
- a metal film such as Ni / Au is vapor-deposited thereon to form the MIS structure gate electrode 2 having the field plate 20.
- the FET shown in FIG. 5B is manufactured.
- the FET according to Example 4 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control.
- a negative voltage is applied to the drain electrode 6, the channel immediately below the drain electrode 6 that is not in contact with the contact region is in a pinch-off state, so that the drain current is cut off and exhibits reverse blocking characteristics.
- a positive voltage is applied to the drain electrode 6, a drain current flows in a region of the drain electrode 6 that is in contact with the contact region 18, so that a low resistance ON characteristic can be realized.
- FIG. 6A is a cross-sectional view of the FET according to the present exemplary embodiment.
- the drain electrode 6 is formed on the channel layer (first semiconductor layer) 11 as in the fourth embodiment.
- the side of the drain electrode 6 closer to the gate electrode 2 (first drain region) is in Schottky contact with the channel layer 11.
- the side of the drain electrode 6 far from the source electrode 1 (second drain region) is formed in contact with a contact region (second semiconductor layer) 18 made of a high-concentration n-type impurity diffusion layer.
- the drain electrode 6 on the side close to the source electrode 1 is embedded in the recess formed in the channel layer 11. That is, as shown in FIG. 6A, the drain electrode buried portion 7 is formed. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
- the FET when a negative voltage is applied to the drain electrode 6, the channel is pinched off under the drain electrode embedded portion 7, and the current blocking is realized by blocking the current flow. .
- a positive voltage when a positive voltage is applied to the drain electrode 6, a drain current flows through a low-resistance current path formed on the contact region 18, and a low on-resistance is obtained.
- the pinch-off property at the time of the reverse blocking operation can be improved and the leakage current can be suppressed.
- Example 5 which is a specific example of the fifth embodiment will be described.
- FIG. 6B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
- This FET is formed on a substrate 12 made of silicon or the like.
- a buffer layer 13 for relaxing lattice mismatch On the substrate 12, a buffer layer 13 for relaxing lattice mismatch, a channel layer 14 made of In x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1), and Al y Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ ).
- An electron supply layer 15 comprising 1) is formed in order.
- the buffer layer 13, the channel layer 14, and the electron supply layer 15 correspond to the first semiconductor layer.
- the range of 0 ⁇ x ⁇ 0.2 as the composition of the channel layer 14 and the range of 0.1 ⁇ y ⁇ 0.3 as the composition of the electron supply layer 15 are most suitable for the switching device for power control.
- the source electrode 1 is formed on the electron supply layer 15 by ohmic contact.
- a contact region 18 which is a high-concentration n-type impurity diffusion layer is formed at a position separated from the source electrode 1.
- the drain electrode 6 is formed so as to be in Schottky contact with the electron supply layer 15 on the source electrode 1 side and in contact with the contact region 18 on the side opposite to the source electrode 1. Further, a part of the drain electrode 6 on the source electrode 1 side is embedded in a recess formed in the electron supply layer 15. As a result, the drain electrode buried portion 7 is formed.
- the surface of the electron supply layer 15 is covered with a surface protective film 21.
- a gate electrode 2 in which an electron supply layer 15 and a MIS structure are formed is formed in an opening formed between the source electrode 1 and the drain electrode 6 via a gate insulating film 22.
- a part of the gate electrode 2 rides on the surface protection film 21 and plays a role of reducing electric field concentration as a bowl-shaped field plate 20.
- a buffer layer 13 film thickness 20 nm
- a channel layer 14 film thickness 2 ⁇ m
- An electron supply layer 15 (thickness 25 nm) made of 0.8 N is formed in order.
- an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the channel layer 14 is exposed. Subsequently, a contact region 18 that is a high-concentration n-type impurity diffusion layer extending from the electron supply layer 15 to the upper portion of the channel layer 14 is formed by ion implantation or the like.
- the source electrode 1 is formed on the electron supply layer 15 by evaporating a metal such as Ti / Al. And it is set as ohmic contact by annealing at 650 degreeC. Further, a recess in which a part of the electron supply layer 15 is removed by etching is formed in the vicinity of the contact region 18. Then, a metal such as Ni / Au is deposited on the electron supply layer 15 to form the Schottky contact drain electrode 6. The drain electrode 6 is formed so as to cover both the contact region 18 and the recess. The portion buried in the recess becomes the drain electrode buried portion 7.
- a surface protective film 21 made of SiN having a thickness of 50 nm is formed by a plasma CVD method or the like.
- the electron supply layer 15 is exposed by removing a part of the surface protective film 21 by etching. Further, the recess is formed by etching so that the threshold value becomes positive.
- a gate insulating film 22 made of SiO 2 having a thickness of 150 nm is formed by, for example, atmospheric pressure CVD so as to cover the exposed electron supply layer 15.
- a metal film such as Ni / Au is vapor-deposited thereon to form the MIS structure gate electrode 2 having the field plate 20.
- the FET shown in FIG. 6B is manufactured.
- the FET according to Example 5 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control.
- a negative voltage is applied to the drain electrode 6, the channel layer 14 immediately below the drain electrode 6 that is not in contact with the contact region 18 is in a pinch-off state, so that the drain current is cut off and exhibits reverse blocking characteristics.
- a positive voltage is applied to the drain electrode 6, a drain current flows in a region of the drain electrode 6 that is in contact with the contact region 18, so that a low resistance ON characteristic can be realized.
- the FET of this embodiment is one in which a part of the drain electrode 6 is formed on the recess in the fourth embodiment. Therefore, the pinch-off property during the reverse blocking operation can be improved and the leakage current can be suppressed.
- FIG. 7A is a cross-sectional view of the FET according to the present exemplary embodiment.
- a contact layer (third semiconductor layer) 19 that is a high-concentration n-type epitaxial layer is formed on the channel layer (first semiconductor layer) 11.
- an ohmic contact source electrode 1 and a Schottky contact drain electrode 6 are formed on the contact layer 19.
- the impurity concentration of the contact layer 19 that is in contact with the side of the drain electrode 6 far from the gate electrode 2 (second drain region) sufficiently high, the electron tunneling distance is shortened and contact characteristics substantially close to ohmic characteristics are obtained. Realize.
- a recess that penetrates the contact layer 19 and reaches the n-type channel layer is formed in a part of the n-type contact layer 19 on which the drain electrode 6 is formed on the side close to the source electrode 1.
- a part of the drain electrode 6 is buried inside the recess, and a drain electrode buried portion (first drain region) 7 is formed. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
- the FET according to this embodiment when a negative voltage is applied to the drain electrode 6, the channel is pinched off under the drain electrode embedded portion 7, and the current blocking is realized by blocking the current flow. .
- the drain current flows through a low-resistance current path formed on the contact layer 19, and a low on-resistance is obtained.
- the FET of this example is a contact layer 19 that is an epitaxial layer instead of the contact region 18 in the fifth embodiment. Thereby, performance equivalent to that of the fifth embodiment can be realized with good controllability.
- Example 6 which is a specific example of the sixth embodiment will be described.
- FIG. 7B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
- This FET is formed on a substrate 12 made of silicon or the like.
- a buffer layer 13 for relaxing lattice mismatch a channel layer 14 made of In x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1), and Al y Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ ).
- An electron supply layer 15 comprising 1) is formed in order.
- the buffer layer 13, the channel layer 14, and the electron supply layer 15 correspond to the first semiconductor layer.
- the range of 0 ⁇ x ⁇ 0.2 as the composition of the channel layer 14 and the range of 0.1 ⁇ y ⁇ 0.3 as the composition of the electron supply layer 15 are most suitable for the switching device for power control.
- a contact layer 19 made of n-type AlGaN doped with n-type and having the same composition is formed.
- the source electrode 1 in ohmic contact is formed on the contact layer 19.
- a drain electrode 6 is formed on the contact layer 19 separated from the source electrode 1 by Schottky contact. A part of the drain electrode 6 on the side close to the source electrode 1 is embedded in a recess that penetrates the contact layer 19 and reaches the electron supply layer 15. This portion forms the drain electrode buried portion 7.
- the contact layer 19 is removed.
- the exposed surface of the electron supply layer 15 is covered with the surface protective film 21.
- the gate electrode 2 in which the electron supply layer 15 and the MIS structure are formed is formed in the opening between the source electrode 1 and the drain electrode 6 through the gate insulating film 22.
- a part of the gate electrode 2 rides on the surface protective film 21 and plays a role of reducing electric field concentration as a bowl-shaped field plate 20.
- a buffer layer 13 film thickness 20 nm
- a channel layer 14 film thickness 2 ⁇ m
- an undoped Al 0.2 Ga film on a substrate 12 made of silicon for example, by molecular beam epitaxy.
- An electron supply layer 15 film thickness 25 nm
- a contact layer 19 film thickness 25 nm, impurity concentration 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 ) made of n-type AlGaN are sequentially formed.
- an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the channel layer 14 is exposed.
- the source electrode 1 is formed on the contact layer 19 by evaporating a metal such as Ti / Al. And it is set as ohmic contact by annealing at 650 degreeC.
- a recess that penetrates the contact layer 19 and reaches the electron supply layer 15 is formed by etching at a position where the drain electrode buried portion 7 is formed.
- a metal such as Ni / Au is deposited so as to be in contact with the electron supply layer 15 to form the Schottky contact drain electrode 6. Of these, the portion buried in the recess becomes the drain electrode buried portion 7.
- a surface protective film 21 made of SiN having a thickness of 50 nm is formed by a plasma CVD method or the like.
- the electron supply layer 15 is exposed by removing a part of the surface protective film 21 by etching.
- a recess is formed by etching so that the threshold value becomes positive.
- a gate insulating film 22 made of SiO 2 having a thickness of 150 nm is formed by, for example, atmospheric pressure CVD so as to cover the exposed electron supply layer 15.
- a metal such as Ni / Au is vapor-deposited to form the gate electrode 2 having the MIS structure having the field plate 20.
- the FET shown in FIG. 7B is manufactured.
- the FET according to Example 6 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control.
- a negative voltage is applied to the drain electrode 6, the channel layer 14 immediately below the drain electrode 6 that is not in contact with the contact layer 19 is in a pinch-off state, so that the drain current is cut off and exhibits reverse blocking characteristics.
- a positive voltage is applied to the drain electrode 6, a drain current flows in a region of the drain electrode 6 that is in contact with the contact region 18, so that a low resistance ON characteristic can be realized.
- a contact layer 19 that is an epitaxial layer is formed in place of the contact region 18 in the fifth embodiment. Therefore, performance equivalent to that of the fifth embodiment can be realized with good controllability.
- FIG. 8A is a cross-sectional view of the FET according to the present exemplary embodiment.
- a contact layer (third semiconductor layer) 19 that is a high-concentration n-type epitaxial layer is formed on the channel layer (first semiconductor layer) 11.
- an ohmic contact source electrode 1 and a Schottky contact drain electrode 6 are formed on the contact layer 19.
- the impurity concentration of the contact layer 19 that is in contact with the side of the drain electrode 6 far from the gate electrode 2 (second drain region) sufficiently high, the electron tunneling distance is shortened and contact characteristics substantially close to ohmic characteristics are obtained. Realize.
- a recess that penetrates the contact layer 19 and reaches the channel layer 11 is formed in a part of the n-type contact layer 19 on which the drain electrode 6 is formed on the side close to the source electrode 1.
- a part of the drain electrode 6 is buried via the insulating film 5, and a drain electrode buried portion (first drain region) 7 is formed. That is, the drain electrode buried portion 7 forms a MIS structure with the channel layer 11. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
- the drain electrode buried portion 7 in the sixth embodiment has a MIS structure, and the leakage current during the reverse blocking operation can be reduced as compared with the sixth embodiment.
- Example 7 which is a specific example of the seventh embodiment will be described.
- FIG. 8B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
- This FET is formed on a substrate 12 made of silicon or the like.
- a buffer layer 13 for relaxing lattice mismatch a channel layer 14 made of In x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1), and Al y Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ ).
- An electron supply layer 15 comprising 1) is formed in order.
- the buffer layer 13, the channel layer 14, and the electron supply layer 15 correspond to the first semiconductor layer.
- the range of 0 ⁇ x ⁇ 0.2 as the composition of the channel layer 14 and the range of 0.1 ⁇ y ⁇ 0.3 as the composition of the electron supply layer 15 are most suitable for the switching device for power control.
- a contact layer 19 made of n-type AlGaN having the same composition and doped n-type is disposed.
- the source electrode 1 in ohmic contact is formed on the contact layer 19.
- the Schottky contact drain electrode 6 is formed on the contact layer 19 spaced apart from the source electrode 1.
- a part of the drain electrode 6 on the side close to the source electrode 1 is embedded in a recess that penetrates the contact layer 19 and reaches the electron supply layer 15. This portion forms the drain electrode buried portion 7.
- a gate insulating film 22 is formed between the drain electrode buried portion 7 and the electron supply layer 15 in the recess. That is, the drain electrode buried portion 7 forms an MIS structure with the electron supply layer 15.
- the contact layer 19 is removed.
- the exposed surface of the electron supply layer 15 is covered with the surface protective film 21.
- the gate electrode 2 in which the electron supply layer 15 and the MIS structure are formed is formed in the opening between the source electrode 1 and the drain electrode 6 through the gate insulating film 22.
- a part of the gate electrode 2 rides on the surface protective film 21 and plays a role of reducing electric field concentration as a bowl-shaped field plate 20.
- a buffer layer 13 film thickness 20 nm
- a channel layer 14 film thickness 2 ⁇ m
- an undoped Al 0.2 Ga film on a substrate 12 made of silicon for example, by molecular beam epitaxy.
- An electron supply layer 15 film thickness 25 nm
- a contact layer 19 film thickness 25 nm, impurity concentration 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 ) made of n-type AlGaN are sequentially formed.
- an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the channel layer 14 is exposed.
- the source electrode 1 is formed on the contact layer 19 by evaporating a metal such as Ti / Al. And it is set as ohmic contact by annealing at 650 degreeC.
- a recess that penetrates the contact layer 19 and reaches the electron supply layer 15 is formed by etching at a position where the drain electrode buried portion 7 is formed.
- a surface protective film 21 made of SiN having a thickness of 50 nm is formed by a plasma CVD method or the like.
- the AlGaN electron supply layer 15 is exposed by etching away a part of the surface protective film 21.
- a recess is formed by etching so that the threshold value becomes positive.
- the surface protective film 21 on the contact layer 19 forming the drain electrode 6 is also removed.
- a gate insulating film 22 made of SiO 2 having a thickness of 150 nm is formed by, for example, atmospheric pressure CVD so as to cover the exposed electron supply layer 15 and contact layer 19.
- a metal such as Ni / Au is vapor-deposited to form the gate electrode 2 and the drain electrode 6 having the MIS structure having the field plate 20.
- the FET shown in FIG. 8B is manufactured.
- the FET according to Example 7 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control.
- a negative voltage is applied to the drain electrode 6, the drain electrode 6 that is not in contact with the contact region, that is, the channel immediately below the drain electrode buried portion 7 is in a pinch-off state, so that the drain current is cut off and reverse blocking characteristics are exhibited.
- a positive voltage is applied to the drain electrode 6, a drain current flows in a region of the drain electrode 6 that is in contact with the contact region 18, so that a low resistance ON characteristic can be realized.
- the FET of this embodiment has the drain electrode buried portion 7 having the MIS structure in the sixth embodiment, and can reduce the leakage current during the reverse blocking operation as compared with the sixth embodiment.
- the present invention is applicable to, for example, a direct conversion type power conversion circuit.
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、逆阻止特性を有する半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a semiconductor device having reverse blocking characteristics and a manufacturing method thereof.
高効率なAC/AC電力変換方式として、マトリクスコンバータに代表される直接変換型電力変換回路が注目されている。この回路では双方向スイッチの組合せで電力変換を実現する。通常、半導体スイッチングデバイスは、負のドレイン電圧が印加された場合、オフ特性を維持できない。そのため、図9に示すように、ダイオードとトランジスタの直列接続回路を二組組み合わせることで双方向スイッチを実現していた。 As a highly efficient AC / AC power conversion method, a direct conversion type power conversion circuit represented by a matrix converter has attracted attention. In this circuit, power conversion is realized by a combination of bidirectional switches. Usually, a semiconductor switching device cannot maintain an off characteristic when a negative drain voltage is applied. Therefore, as shown in FIG. 9, a bidirectional switch has been realized by combining two series connection circuits of diodes and transistors.
このような双方向スイッチのオン特性を図14Aに模式的に示す。この双方向スイッチは、ショットキダイオードとIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)で構成されるため、オン電圧としてダイオードの1VとIGBTの2Vを加えた3Vが生じる。この結果、図中のハッチング部分の電力がスイッチによる損失として失われてしまう。 The ON characteristics of such a bidirectional switch are schematically shown in FIG. 14A. Since this bidirectional switch is composed of a Schottky diode and an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), an on-voltage of 3 V is generated by adding 1 V of the diode and 2 V of the IGBT. As a result, the power in the hatched portion in the figure is lost as a loss by the switch.
スイッチ部分を電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)で構成できれば、このような損失は最小限に抑えることができる。しかしながら、通常、FETは逆電流を阻止する特性いわゆる逆阻止特性を備えない。 If the switch part can be composed of a field effect transistor (FET), such a loss can be minimized. However, the FET usually does not have a so-called reverse blocking characteristic that prevents reverse current.
図10は、逆阻止特性を備えないFETのドレインI(電流)-V(電圧)特性を模式的に示したものである。ドレイン電圧が正ではオフできていたゲート電圧条件でも、ドレイン電圧を負になるとゲートの電位が相対的に正側にシフトする。そのため、チャネルが開いて、逆電流が流れてしまう。また、正のゲート電圧VGを印加した場合、VG1、VG2、VG3とゲート電圧VGが大きくなるにつれて逆電流は増加する。 FIG. 10 schematically shows drain I (current) -V (voltage) characteristics of an FET that does not have reverse blocking characteristics. Even when the drain voltage is positive, the gate potential shifts to the positive side when the drain voltage becomes negative even under the gate voltage condition where the drain voltage is positive. As a result, the channel opens and reverse current flows. When a positive gate voltage V G is applied, the reverse current increases as V G1 , V G2 , V G3 and the gate voltage V G increase.
他方、図11は逆阻止特性を備えるFETのドレインI-V特性を模式的に示したものである。ドレイン電圧を負にしても、ゲート電圧VG(VG1<VG2<VG3)にかかわりなく逆阻止特性を維持できる。このようなFETを用いれば、双方向スイッチを図12のような構成とすることができる。これにより、部品点数の削減によるコスト低減と実装面積の削減による小型化が可能となる。更に、ダイオードを省くことで、オン時の損失を低減することができる。 On the other hand, FIG. 11 schematically shows the drain IV characteristics of an FET having reverse blocking characteristics. Even if the drain voltage is negative, the reverse blocking characteristic can be maintained regardless of the gate voltage V G (V G1 <V G2 <V G3 ). If such an FET is used, the bidirectional switch can be configured as shown in FIG. As a result, it is possible to reduce the cost by reducing the number of parts and downsizing by reducing the mounting area. Furthermore, the loss at the time of ON can be reduced by omitting the diode.
図11のような逆阻止特性を有する構造として、特許文献1及び2にドレイン電極をショットキ接触としたFETが提案されている。図13は、特許文献1の図1に開示された半導体装置である。半絶縁性基板105上にn型SiC層からなるチャネル層101が形成されている。その上に、オーム性接触するソース電極103及びショットキ接触するドレイン電極102が形成されている。また、両電極間にショットキ接触するゲート電極104が形成されている。そして、半絶縁性基板105の裏面に金属層106が形成されている。特許文献1、2に開示されたFETでは、ドレイン電極に負電圧が印加されると、ショットキダイオードに逆バイアスが印加されたのと同じ状態になり、ドレイン電流が遮蔽されて逆阻止特性が実現される。
As a structure having reverse blocking characteristics as shown in FIG. 11,
しかしながら、ドレイン電極に正電圧を印加した場合、トランジスタのオン特性にショットキダイオードのオン電圧が加わった形になるため、オン抵抗が増大する。この場合のスイッチのオン特性を図14Bに示す。トランジスタがIGBTからFETになったため、オン電圧は下がっているが、ドレインショットキー部のオン電圧が1V程度残っている。このため、このような構成のトランジスタで双方向スイッチを構成すると、スイッチ部分の損失を十分に下げられないという課題があった。 However, when a positive voltage is applied to the drain electrode, the on-resistance increases because the on-voltage of the Schottky diode is added to the on-characteristic of the transistor. The ON characteristics of the switch in this case are shown in FIG. 14B. Since the transistor is changed from IGBT to FET, the on-voltage is lowered, but the on-voltage of the drain Schottky portion remains about 1V. For this reason, when a bidirectional switch is constituted by transistors having such a configuration, there is a problem that the loss of the switch portion cannot be sufficiently reduced.
本発明は、上記を鑑みなされたものであり、逆阻止特性と低オン抵抗とを両立可能な半導体装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a semiconductor device capable of achieving both reverse blocking characteristics and low on-resistance.
本発明に係る半導体装置は、
チャネル層を含む第1半導体層と、
前記第1半導体層上に形成されたソース電極と、
前記第1半導体層上において、前記ソース電極と離間して形成されたドレイン電極と、
前記第1半導体層上において、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成されたゲート電極と、を備え、
前記ドレイン電極は、
前記第1半導体層との間の逆電流が阻止された第1ドレイン領域と、
前記第1ドレイン領域よりも前記ゲート電極から離れて形成され、かつ、前記第1ドレイン領域よりも前記第1半導体層との間の抵抗が低い第2ドレイン領域と、を含むものである。
A semiconductor device according to the present invention includes:
A first semiconductor layer including a channel layer;
A source electrode formed on the first semiconductor layer;
A drain electrode formed on the first semiconductor layer and spaced apart from the source electrode;
A gate electrode formed between the source electrode and the drain electrode on the first semiconductor layer;
The drain electrode is
A first drain region in which a reverse current between the first semiconductor layer and the first semiconductor layer is blocked;
And a second drain region that is formed farther from the gate electrode than the first drain region and has a lower resistance to the first semiconductor layer than the first drain region.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、
チャネル層を含む第1半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層上に、ソース電極と、ドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のゲート電極と、を形成する工程と、を備え、
前記ドレイン電極が、
前記第1半導体層との間の逆電流が阻止された第1ドレイン領域と、
前記第1ドレイン領域よりも前記ゲート電極から離れて形成され、かつ、前記第1ドレイン領域よりも前記第1半導体層との間の抵抗が低い第2ドレイン領域と、を含むものである。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes:
Forming a first semiconductor layer including a channel layer;
Forming a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode between the source electrode and the drain electrode on the first semiconductor layer, and
The drain electrode is
A first drain region in which a reverse current between the first semiconductor layer and the first semiconductor layer is blocked;
And a second drain region that is formed farther from the gate electrode than the first drain region and has a lower resistance to the first semiconductor layer than the first drain region.
本発明によれば、逆阻止特性と低オン抵抗とを両立可能な半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that can achieve both reverse blocking characteristics and low on-resistance.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiment. In addition, for clarity of explanation, the following description and drawings are simplified as appropriate.
(実施の形態1)
図1Aは、本発明の第1の実施の形態に係る電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)の断面図である。このFETでは、例えばGaAsなどからなる基板10上にn型のチャネル層11が形成されている。また、チャネル層(第1半導体層)11上には、オーム性接触するソース電極1、このソース電極1と離間して設けられた第1ドレイン電極(第1ドレイン領域)3及び第2ドレイン電極(第2ドレイン領域)4が形成されている。更に、ソース電極1と第1ドレイン電極3の間には、ショットキ接触するゲート電極2が形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a cross-sectional view of a field effect transistor (FET) according to the first embodiment of the present invention. In this FET, an n-
ここで、第1ドレイン電極3と第2ドレイン電極4とは同電位となる。ソース電極1に近い側に配置された第1ドレイン電極3は、チャネル層11とショットキ接触を形成している。一方、ソース電極1から遠い側に配置された第2ドレイン電極4は、チャネル層11とオーム性接触を形成している。図1Aでは、第1ドレイン電極3と第2ドレイン電極4とが分離されており、配線等によって同電位に接続する構成を示しているが、第1ドレイン電極3と第2ドレイン電極4は接触していてもよい。
Here, the
本実施形態に係るFETでは、ドレイン電極3、4に負電圧を印加すると、第1ドレイン電極3の領域でチャネルがピンチオフ状態になり、電流の流れが遮蔽され、逆阻止特性が実現される。一方、ドレイン電極3、4に正電圧を印加すると、低抵抗の第2ドレイン電極4の領域が電流パスとなり、低いオン抵抗が得られる。
In the FET according to the present embodiment, when a negative voltage is applied to the
基板10としては、GaAs、InP、SiC、Si、SiGe、GaN等の半導体材料のほか、上層にチャネル層11を形成することができれば、サファイアなどの絶縁体を用いることができる。
As the
また、チャネル層11としてはInGaAs系、InGaP系、InAlGaN系等のIII-V族化合物半導体、SiC、Si、SiGeなどのIV族半導体材料を用いることができる。また、単一の半導体層に限定されず、不純物濃度の異なる複数の層構造や、ヘテロ接合を形成してその界面に形成される電子層をキャリアとして用いる構成としても良い。
Further, as the
ゲート電極2としてショットキ接触の例を示したが、電流を制御する機能を実現することができれば、半導体上に絶縁膜を介して金属を配置するMIS(Metal-Insulator Semiconductor)構造や、pn接合を利用した構造としても良い。また、図1Aではソース電極1、ゲート電極2、ドレイン電極3、4の全てが、チャネル層11の同一平面に配置されているが、例えば、チャネル層11の一部を除去したリセス上にゲート電極2を形成しても良い。
Although an example of Schottky contact is shown as the
本実施の形態に係るFETでは、ドレイン電極3、4に負電圧が印加されると、第1ドレイン電極3下の領域でチャネルがピンチオフ状態になり、電流の流れが遮蔽される。これにより、図9に示したような逆阻止特性が実現される。一方、ドレイン電極3、4に正電圧が印加されると、低抵抗の第2ドレイン電極4下の領域が電流パスとなり、低いオン抵抗が得られる。図2は、本実施の形態に係るFETで構成したスイッチのオン特性を模式的に示した概念図である。図2に示すように、ほぼ0Vから線形にドレイン電流が立ち上がり、スイッチ部分の損失を最小限に抑えることができる。これにより、低損失で低コストの双方向スイッチが可能となる。
In the FET according to the present embodiment, when a negative voltage is applied to the
(実施例1)
次に、第1の実施の形態の具体例である実施例1について説明する。図1Bは、本実施例に係るFETの断面図である。
(Example 1)
Next, Example 1 which is a specific example of the first embodiment will be described. FIG. 1B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
このFETはシリコンなどからなる基板12上に形成される。基板12上には、格子不整合を緩和するための緩衝層13、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなるチャネル層14、AlyGa1-yN(0<y≦1)からなる電子供給層15が順に形成されている。本実施例では、上記緩衝層13、チャネル層14、電子供給層15が第1半導体層に相当する。チャネル層14の組成として0≦x≦0.2、電子供給層15の組成として0.1≦y≦0.3の範囲が、最も電力制御用のスイッチングデバイスに適している。
This FET is formed on a
電子供給層15上に、いずれもオーム性接触でソース電極1及び第2ドレイン電極4が形成されている。ソース電極1と第2ドレイン電極4との間で、第2ドレイン電極4に近接した領域に、ショットキ接触で第1ドレイン電極3が形成されている。また、第1ドレイン電極3と第2ドレイン電極4とには同電位が与えられる。
The
電子供給層15の表面は、表面保護膜21で覆われている。また、ソース電極1と第1ドレイン電極3との間に形成された開口部(リセス)に、ゲート絶縁膜22を介して電子供給層15とMIS構造を構成するゲート電極2が形成されている。ゲート電極2の一部は、表面保護膜21上に乗り上げた庇状のフィールドプレート20として電界集中緩和の役割を果たす。
The surface of the
次に、実施例1に係るFETの製造方法について説明する。ここでは、チャネル層14の組成がx=0のGaN、電子供給層15の組成がy=0.2のAl0.2Ga0.8Nを一例として示す。まず、シリコンからなる基板12上に、例えば分子線エピタキシ(MBE:Molecular Beam Epitaxy)成長法によって、アンドープAlNからなる緩衝層13(膜厚20nm)、アンドープGaNからなるチャネル層14(膜厚2μm)、アンドープAl0.2Ga0.8Nからなる電子供給層15(膜厚25nm)を順に形成する。
Next, a method for manufacturing the FET according to Example 1 will be described. Here, GaN with a composition of the channel layer 14 x = 0 and Al 0.2 Ga 0.8 N with a composition of the electron supply layer 15 y = 0.2 are shown as an example. First, a buffer layer 13 (
次いで、形成された積層構造の一部をチャネル層14が露出するまでエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。続いて、電子供給層15上に、例えばTi/Alなどの金属を蒸着することにより、ソース電極1及び第2ドレイン電極4を形成する。そして、650℃でアニールを行うことによりオーム性接触とする。更に、電子供給層15上に例えばNi/Auなどの金属を蒸着して、ショットキ接触の第1ドレイン電極3を形成する。
Next, an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the
続いて、プラズマCVD法等により、膜厚50nmのSiNからなる表面保護膜21を形成する。表面保護膜21の一部をエッチング除去することにより、電子供給層15を露出させる。さらに、エッチングにより、しきい値が正となるようにリセスを形成する。露出した電子供給層15を被覆するように、例えば常圧CVD法等により、膜厚150nmのSiO2からなるゲート絶縁膜22を形成する。その上に、例えばNi/Auなどの金属膜を蒸着して、フィールドプレート20を有するMIS構造のゲート電極2を形成する。以上により、図1Bに示したFETを製造する。
Subsequently, a surface
実施例1に係るFETは、ノーマリオフ特性を有し、かつ、フィールドプレートによる電界緩和効果で高耐圧を実現できる。そのため、電力制御用のスイッチングデバイスに適している。また、ドレイン電極3、4に負電圧が印加されると、第1ドレイン電極3直下のチャネルがピンチオフ状態になるため、ドレイン電流が遮断されて逆阻止特性を示す。一方、ドレイン電極3、4に正電圧が印加されると、低抵抗の第2ドレイン電極4を介してドレイン電流が流れるため、低抵抗のオン特性が実現できる。
The FET according to Example 1 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control. In addition, when a negative voltage is applied to the
(実施の形態2)
次に、図3Aを参照して本発明の第2の実施の形態について説明する。
図3Aは、本実施の形態に係るFETの断面図である。本実施の形態では、ソース電極1に近い位置に配置された第1ドレイン電極3は絶縁膜5を介してチャネル層11とMIS構造を構成している点が実施の形態1と異なる。それ以外の構成は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3A.
FIG. 3A is a cross-sectional view of the FET according to the present embodiment. The present embodiment is different from the first embodiment in that the
本実施形態に係るFETでは、実施の形態1同様、ドレイン電極3、4に負電圧を印加すると、第1ドレイン電極3下の領域でチャネルがピンチオフ状態になり、電流の流れが遮蔽されることで逆阻止特性が実現される。一方、ドレイン電極3、4に正電圧を印加すると、低抵抗の第2ドレイン電極4下の領域が電流パスとなり、低いオン抵抗が得られる。また、第1ドレイン電極3をMIS構造とすることで、実施の形態1よりも逆阻止動作時のリーク電流を低く抑えることができる。
In the FET according to the present embodiment, when a negative voltage is applied to the
(実施例2)
次に、第2の実施の形態の具体例である実施例2について説明する。図3Bは、本実施例に係るFETの断面図である。
(Example 2)
Next, Example 2 which is a specific example of the second embodiment will be described. FIG. 3B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
このFETはシリコンなどからなる基板12上に形成される。基板12上には、格子不整合を緩和するための緩衝層13、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなるチャネル層14、AlyGa1-yN(0<y≦1)からなる電子供給層15が順に形成されている。本実施例では、上記緩衝層13、チャネル層14、電子供給層15が第1半導体層に相当する。チャネル層14の組成として0≦x≦0.2、電子供給層15の組成として0.1≦y≦0.3の範囲が、最も電力制御用のスイッチングデバイスに適している。
This FET is formed on a
この電子供給層15上に、いずれもオーム性接触でソース電極1及び第2ドレイン電極4が形成されている。また、電子供給層15の表面は、表面保護膜21で覆われている。ソース電極1と第1ドレイン電極4の間には、2つの開口部が形成されており、それぞれにゲート絶縁膜22を介して電子供給層15とMIS構造を構成するゲート電極2及び第1ドレイン電極3が形成されている。第1ドレイン電極3は第2ドレイン電極4に隣接して配置され、第1ドレイン電極3と第2ドレイン電極4は同電位に接続されている。ゲート電極2の一部は、表面保護膜21上に乗り上げひさし状の形状をしたフィールドプレート20として電界集中緩和の役割を果たす。
The
次に、実施例2に係るFETの製造方法について説明する。ここでは、チャネル層14の組成をx=0のGaN、電子供給層15の組成をy=0.2のAl0.2Ga0.8Nを一例として示す。まず、シリコンからなる基板12上に、例えば分子線エピタキシ成長法によって、アンドープAlNからなる緩衝層13(膜厚20nm)、アンドープGaNからなるチャネル層14(膜厚2μm)、アンドープAl0.2Ga0.8Nからなる電子供給層15(膜厚25nm)を順に形成する。
Next, a method for manufacturing the FET according to Example 2 will be described. Here, as an example, the composition of the
次いで、形成された積層構造の一部をチャネル層14が露出するまでエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。続いて、電子供給層15上に、例えばTi/Alなどの金属を蒸着することにより、ソース電極1及び第2ドレイン電極4を形成する。そして、650℃でアニールを行うことによりオーム性接触とする。
Next, an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the
続いて、プラズマCVD法等により、膜厚50nmのSiNからなる表面保護膜21を形成する。表面保護膜21の一部をエッチング除去することにより、電子供給層15が露出した開口部を二箇所形成する。さらに、ゲート電極2直下でしきい値が正となるように、露出した電子供給層15にエッチングによりリセスを形成する。露出した電子供給層15を被覆するように、例えば常圧CVD法等により、膜厚150nmのSiO2からなるゲート絶縁膜22を形成する。その上に、例えばNi/Auなどの金属を蒸着して、フィールドプレート20を有するMIS構造のゲート電極2と第1ドレイン電極3を形成する。以上により、図3Bに示したFETを製造する。
Subsequently, a surface
実施例2に係るFETは、ノーマリオフ特性を有し、またフィールドプレートによる電界緩和効果で高耐圧を実現できる。そのため、電力制御用のスイッチングデバイスに適している。ドレイン電極3、4に負電圧が印加されると、第1ドレイン電極3直下のチャネルがピンチオフ状態になるため、ドレイン電流が遮断されて逆阻止特性を示す。一方、ドレイン電極3、4に正電圧が印加されると、低抵抗の第2ドレイン電極4を介してドレイン電流が流れるため、低抵抗のオン特性が実現できる。また、第1ドレイン電極3をMIS構造とすることで、第1の実施例よりも逆阻止動作時のリーク電流を低く抑えることができる。
The FET according to Example 2 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control. When a negative voltage is applied to the
(実施の形態3)
次に、図4Aを参照して本発明の第3の実施の形態について説明する。
図4Aは、本実施の形態に係るFETの断面図である。本実施の形態では、ソース電極1に近い位置に配置された第1ドレイン電極3は、チャネル層(第1半導体層)11と導電型の異なるp型層(第2半導体層)16を介してチャネル層11上に形成されている点が実施の形態1と異なる。それ以外の構成は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4A.
FIG. 4A is a cross-sectional view of the FET according to the present embodiment. In the present embodiment, the
本実施形態に係るFETでは、実施の形態1同様、ドレイン電極3、4に負電圧を印加すると、第1ドレイン電極3下の領域でチャネルがピンチオフ状態になり、電流の流れが遮蔽されることで逆阻止特性が実現される。一方、ドレイン電極3、4に正電圧を印加すると、低抵抗の第2ドレイン電極4下の領域が電流パスとなり、低いオン抵抗が得られる。
In the FET according to the present embodiment, when a negative voltage is applied to the
(実施例3)
次に、第3の実施の形態の具体例である実施例3について説明する。図4Bは、本実施例に係るFETの断面図である。
Example 3
Next, Example 3 which is a specific example of the third embodiment will be described. FIG. 4B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
このFETはシリコンなどからなる基板12上に形成される。基板12上には、格子不整合を緩和するための緩衝層13、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなるチャネル層14、AlyGa1-yN(0<y≦1)からなる電子供給層15が順に形成されている。本実施例では、上記緩衝層13、チャネル層14、電子供給層15が第1半導体層に相当する。チャネル層14の組成として0≦x≦0.2、電子供給層15の組成として0.1≦y≦0.3の範囲が最も電力制御用のスイッチングデバイスに適している。最上層にはGaNからなるp型層16が形成されている。
This FET is formed on a
電子供給層15上に、いずれもオーム性接触でソース電極1及び第2ドレイン電極4が形成されている。ソース電極1と第2ドレイン電極4の間であって、第2ドレイン電極4に近接した電子供給層15上に、GaNからなるp型層16を介して第1ドレイン電極3が形成されている。ここで、第1ドレイン電極3と第2ドレイン電極4は同電位に接続されている。
The
電子供給層15の表面は、表面保護膜21で覆われている。また、ソース電極1と第1ドレイン電極3との間に形成された開口部に、ゲート絶縁膜22を介して電子供給層15とMIS構造を構成するゲート電極2が形成されている。ゲート電極2の一部は、表面保護膜21上に乗り上げた庇状のフィールドプレート20として電界集中緩和の役割を果たす。
The surface of the
次に、実施例3に係るFETの製造方法について説明する。ここでは、チャネル層14の組成をx=0のGaN、電子供給層15の組成をy=0.2のAl0.2Ga0.8Nを一例として示す。まず、シリコンからなる基板12上に、例えば分子線エピタキシ成長法によって、アンドープAlNからなる緩衝層13(膜厚20nm)、アンドープGaNからなるチャネル層14(膜厚2μm)、アンドープAl0.2Ga0.8Nからなる電子供給層15(膜厚25nm)、GaNからなるp型層16(膜厚10nm)を順に形成する。
Next, a method for manufacturing the FET according to Example 3 will be described. Here, as an example, the composition of the
次いで、形成された積層構造の一部をチャネル層14が露出するまでエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。続いて、第1ドレイン電極3を形成する領域を除いてp型層16をエッチング除去し、電子供給層15を露出させる。露出させた電子供給層15上に、例えばTi/Alなどの金属を蒸着することにより、ソース電極1及び第2ドレイン電極4を形成する。そして、650℃でアニールを行うことによりオーム性接触とする。更に、電子供給層15上に例えばNi/Auなどの金属を蒸着して、第1ドレイン電極3を形成する。
Next, an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the
続いて、プラズマCVD法等により、膜厚50nmのSiNからなる表面保護膜21を形成する。表面保護膜21の一部をエッチング除去することにより、電子供給層15を露出させる。さらに、エッチングにより、しきい値が正となるようにリセスを形成する。露出した電子供給層15を被覆するように、例えば常圧CVD法等により、膜厚150nmのSiO2からなるゲート絶縁膜22を形成する。その上に、例えばNi/Auなどの金属膜を蒸着して、フィールドプレート20を有するMIS構造のゲート電極2を形成する。以上により、図4Bに示したFETを製造する。
Subsequently, a surface
実施例3に係るFETは、ノーマリオフ特性を有し、かつ、フィールドプレートによる電界緩和効果で高耐圧を実現できる。そのため、電力制御用のスイッチングデバイスに適している。また、ドレイン電極3、4に負電圧が印加されると、第1ドレイン電極3直下のチャネルがピンチオフ状態になるため、ドレイン電流が遮断されて逆阻止特性を示す。一方、ドレイン電極3、4に正電圧が印加されると、低抵抗の第2ドレイン電極4を介してドレイン電流が流れるため、低抵抗のオン特性が実現できる。
The FET according to Example 3 has normally-off characteristics, and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control. In addition, when a negative voltage is applied to the
(実施の形態4)
次に、図5Aを参照して本発明の第4の実施の形態について説明する。
図5Aは、本実施の形態に係るFETの断面図である。本実施の形態では、チャネル層(第1半導体層)11上に、ドレイン電極6が形成されている。ドレイン電極6のゲート電極2から近い側(第1ドレイン領域)は、チャネル層11とショットキ接触している。また、ドレイン電極6のゲート電極2から遠い側(第2ドレイン領域)は、高濃度n型不純物拡散層からなるコンタクト領域(第3半導体層)18に接して形成されている。コンタクト領域18の不純物濃度を十分に高く取ることにより、電子のトンネル距離を短くし、実質的にオーム性に近い接触特性を実現する。それ以外の構成は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5A.
FIG. 5A is a cross-sectional view of the FET according to the present exemplary embodiment. In the present embodiment, the
本実施形態に係るFETでは、ドレイン電極6に負電圧を印加すると、コンタクト領域18に接しないドレイン電極6の下でチャネルがピンチオフ状態になり、電流の流れが遮蔽されることで逆阻止特性が実現される。一方、ドレイン電圧6に正電圧を印加すると、コンタクト領域18上に形成された低抵抗の電流パスをドレイン電流が流れ、低いオン抵抗が得られる。
In the FET according to the present embodiment, when a negative voltage is applied to the
(実施例4)
次に、第4の実施の形態の具体例である実施例4について説明する。図5Bは、本実施例に係るFETの断面図である。
(Example 4)
Next, Example 4 which is a specific example of the fourth embodiment will be described. FIG. 5B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
このFETはシリコンなどからなる基板12上に形成される。基板12上には、格子不整合を緩和するための緩衝層13、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなるチャネル層14、AlyGa1-yN(0<y≦1)からなる電子供給層15が順に形成されている。本実施例では、上記緩衝層13、チャネル層14、電子供給層15が第1半導体層に相当する。チャネル層14の組成として0≦x≦0.2、電子供給層15の組成として0.1≦y≦0.3の範囲が、最も電力制御用のスイッチングデバイスに適している。
This FET is formed on a
この電子供給層15に、オーム性接触でソース電極1が形成されている。ソース電極1と離間した電子供給層15上に高濃度n型不純物拡散層であるコンタクト領域18が形成されている。また、ソース電極1側では電子供給層15とショットキ接触し、ソース電極1と反対側ではコンタクト領域18と接するように、ドレイン電極6が形成されている。
The
電子供給層15の表面は、表面保護膜21で覆われている。また、ソース電極1とドレイン電極6との間に形成された開口部に、ゲート絶縁膜22を介して電子供給層15とMIS構造を構成するゲート電極2が形成されている。ゲート電極2の一部は、表面保護膜21上に乗り上げ庇状のフィールドプレート20として電界集中緩和の役割を果たす。
The surface of the
次に、実施例4に係るFETの製造方法について説明する。ここでは、チャネル層14の組成をx=0のGaN、電子供給層15の組成をy=0.2のAl0.2Ga0.8Nを一例として示す。まず、シリコンからなる基板12上に、例えば分子線エピタキシ成長法によって、アンドープAlNからなる緩衝層13(膜厚20nm)、アンドープGaNからなるチャネル層14(膜厚2μm)、アンドープAl0.2Ga0.8Nからなる電子供給層15(膜厚25nm)を順に形成する。
Next, a method for manufacturing the FET according to Example 4 will be described. Here, as an example, the composition of the
次いで、形成された積層構造の一部をチャネル層14が露出するまでエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。続いて、イオン注入などにより、電子供給層15からチャネル層14上部に至る高濃度n型不純物拡散層であるコンタクト領域18を形成する。
Next, an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the
次に、電子供給層15上に、例えばTi/Alなどの金属を蒸着することにより、ソース電極1を形成する。そして、650℃でアニールを行うことによりオーム性接触とする。更に、電子供給層15上に例えばNi/Auなどの金属を蒸着して、ショットキ接触のドレイン電極6を形成する。
Next, the
続いて、プラズマCVD法等により、膜厚50nmのSiNからなる表面保護膜21を形成する。表面保護膜21の一部をエッチング除去することにより、電子供給層15を露出させる。さらに、エッチングにより、しきい値が正となるようにリセスを形成する。露出した電子供給層15を被覆するように、例えば常圧CVD法等により、膜厚150nmのSiO2からなるゲート絶縁膜22を形成する。その上に、例えばNi/Auなどの金属膜を蒸着して、フィールドプレート20を有するMIS構造のゲート電極2を形成する。以上により、図5Bに示したFETを製造する。
Subsequently, a surface
実施例4に係るFETは、ノーマリオフ特性を有し、またフィールドプレートによる電界緩和効果で高耐圧を実現できる。そのため、電力制御用のスイッチングデバイスに適している。ドレイン電極6に負電圧が印加されると、コンタクト領域に接していないドレイン電極6直下のチャネルがピンチオフ状態になるため、ドレイン電流が遮断されて逆阻止特性を示す。一方、ドレイン電極6に正電圧が印加されると、ドレイン電極6のコンタクト領域18に接した領域にドレイン電流が流れるため、低抵抗のオン特性が実現できる。
The FET according to Example 4 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control. When a negative voltage is applied to the
(実施の形態5)
次に、図6Aを参照して本発明の第5の実施の形態について説明する。
図6Aは、本実施の形態に係るFETの断面図である。本実施の形態では、実施の形態4と同様に、チャネル層(第1半導体層)11上に、ドレイン電極6が形成されている。ドレイン電極6のゲート電極2から近い側(第1ドレイン領域)は、チャネル層11とショットキ接触している。また、ドレイン電極6におけるソース電極1から遠い側(第2ドレイン領域)は、高濃度n型不純物拡散層からなるコンタクト領域(第2半導体層)18に接して形成されている。さらに、本実施の形態では、実施の形態4と異なり、ソース電極1に近い側のドレイン電極6の一部が、チャネル層11に形成されたリセスに埋め込まれている。すなわち、図6Aに示すように、ドレイン電極埋込部7が形成されている。それ以外の構成は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
(Embodiment 5)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6A.
FIG. 6A is a cross-sectional view of the FET according to the present exemplary embodiment. In the present embodiment, the
本実施形態に係るFETでは、ドレイン電極6に負電圧を印加すると、ドレイン電極埋込部7の下でチャネルがピンチオフ状態になり、電流の流れが遮蔽されることで逆阻止特性が実現される。一方、ドレイン電極6に正電圧を印加すると、コンタクト領域18上に形成された低抵抗の電流パスをドレイン電流が流れ、低いオン抵抗が得られる。また、ドレイン電極6の一部をリセス上に形成したドレイン電極埋込部7を備えたことにより、逆阻止動作時のピンチオフ性を改善し、リーク電流を抑制できる。
In the FET according to this embodiment, when a negative voltage is applied to the
(実施例5)
次に、第5の実施の形態の具体例である実施例5について説明する。図6Bは、本実施例に係るFETの断面図である。
(Example 5)
Next, Example 5 which is a specific example of the fifth embodiment will be described. FIG. 6B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
このFETはシリコンなどからなる基板12上に形成される。基板12上には、格子不整合を緩和するための緩衝層13、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなるチャネル層14、AlyGa1-yN(0<y≦1)からなる電子供給層15が順に形成されている。本実施例では、上記緩衝層13、チャネル層14、電子供給層15が第1半導体層に相当する。チャネル層14の組成として0≦x≦0.2、電子供給層15の組成として0.1≦y≦0.3の範囲が最も電力制御用のスイッチングデバイスに適している。
This FET is formed on a
この電子供給層15上に、オーム性接触でソース電極1が形成されている。ソース電極1と離間した位置に高濃度n型不純物拡散層であるコンタクト領域18が形成されている。また、ソース電極1側では電子供給層15とショットキ接触し、ソース電極1と反対側ではコンタクト領域18と接するように、ドレイン電極6が形成されている。さらに、ドレイン電極6のソース電極1側の一部は、電子供給層15に形成されたリセスに埋め込まれている。これにより、ドレイン電極埋込部7が形成されている。
The
電子供給層15の表面は、表面保護膜21で覆われている。また、ソース電極1とドレイン電極6との間に形成された開口部に、ゲート絶縁膜22を介して電子供給層15とMIS構造を形成したゲート電極2が形成されている。ゲート電極2の一部は、表面保護膜21上に乗り上げ庇状のフィールドプレート20として電界集中緩和の役割を果たす。
The surface of the
次に、実施例5に係るFETの製造方法について説明する。ここでは、チャネル層14の組成をx=0のGaN、電子供給層15の組成をy=0.2のAl0.2Ga0.8Nを一例として示す。まず、シリコンからなる基板12上に、例えば分子線エピタキシ成長法によって、アンドープAlNからなる緩衝層13(膜厚20nm)、アンドープGaNからなるチャネル層14(膜厚2μm)、アンドープAl0.2Ga0.8Nからなる電子供給層15(膜厚25nm)を順に形成する。
Next, a method for manufacturing the FET according to Example 5 will be described. Here, as an example, the composition of the
次いで、形成された積層構造の一部をチャネル層14が露出するまでエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。続いて、イオン注入などにより、電子供給層15からチャネル層14上部に至る高濃度n型不純物拡散層であるコンタクト領域18を形成する。
Next, an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the
次に、電子供給層15上に、例えばTi/Alなどの金属を蒸着することにより、ソース電極1を形成する。そして、650℃でアニールを行うことによりオーム性接触とする。更に、コンタクト領域18の近傍に電子供給層15の一部をエッチングで除去したリセスを形成する。そして、電子供給層15上に例えばNi/Auなどの金属を蒸着して、ショットキ接触のドレイン電極6を形成する。ドレイン電極6はコンタクト領域18とリセスの両方を覆うように形成する。リセスに埋め込まれた部分がドレイン電極埋込部7となる。
Next, the
続いて、プラズマCVD法等により、膜厚50nmのSiNからなる表面保護膜21を形成する。表面保護膜21の一部をエッチング除去することにより、電子供給層15を露出させる。さらに、エッチングにより、しきい値が正となるようにリセスを形成する。露出した電子供給層15を被覆するように、例えば常圧CVD法等により、膜厚150nmのSiO2からなるゲート絶縁膜22を形成する。その上に、例えばNi/Auなどの金属膜を蒸着して、フィールドプレート20を有するMIS構造のゲート電極2を形成する。以上により、図6Bに示したFETを製造する。
Subsequently, a surface
実施例5に係るFETは、ノーマリオフ特性を有し、かつ、フィールドプレートによる電界緩和効果で高耐圧を実現できる。そのため、電力制御用のスイッチングデバイスに適している。ドレイン電極6に負電圧が印加されると、コンタクト領域18に接していないドレイン電極6直下のチャネル層14がピンチオフ状態になるため、ドレイン電流が遮断されて逆阻止特性を示す。一方、ドレイン電極6に正電圧が印加されると、ドレイン電極6のコンタクト領域18に接した領域にドレイン電流が流れるため、低抵抗のオン特性が実現できる。また、本実施例のFETは、第4の実施例でドレイン電極6の一部をリセス上に形成したものである。そのため、逆阻止動作時のピンチオフ性を改善し、リーク電流を抑制できる。
The FET according to Example 5 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control. When a negative voltage is applied to the
(実施の形態6)
次に、図7Aを参照して本発明の第6の実施の形態について説明する。
図7Aは、本実施の形態に係るFETの断面図である。本実施の形態では、チャネル層(第1半導体層)11上に高濃度n型エピタキシャル層であるコンタクト層(第3半導体層)19が形成されている。コンタクト層19上にオーム性接触のソース電極1と、ショットキ接触のドレイン電極6が形成されている。ドレイン電極6のゲート電極2から遠い側(第2ドレイン領域)が接するコンタクト層19の不純物濃度を十分に高く取ることにより、電子のトンネル距離を短くし、実質的にオーム性に近い接触特性を実現する。また、ドレイン電極6が形成されたn型コンタクト層19のソース電極1に近い側の一部には、コンタクト層19を貫通してn型チャネル層に至るリセスが形成されている。リセス内部にはドレイン電極6の一部が埋め込まれ、ドレイン電極埋込部(第1ドレイン領域)7が形成されている。それ以外の構成は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
(Embodiment 6)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7A.
FIG. 7A is a cross-sectional view of the FET according to the present exemplary embodiment. In the present embodiment, a contact layer (third semiconductor layer) 19 that is a high-concentration n-type epitaxial layer is formed on the channel layer (first semiconductor layer) 11. On the
本実施形態に係るFETでは、ドレイン電極6に負電圧を印加すると、ドレイン電極埋込部7の下でチャネルがピンチオフ状態になり、電流の流れが遮蔽されることで逆阻止特性が実現される。一方、ドレイン電極6に正電圧を印加すると、コンタクト層19上に形成された低抵抗の電流パスをドレイン電流が流れ、低いオン抵抗が得られる。本実施例のFETは、実施の形態5におけるコンタクト領域18に代えて、エピタキシャル層であるコンタクト層19としたものである。これにより、実施の形態5と同等の性能を、制御性良く実現することができる。
In the FET according to this embodiment, when a negative voltage is applied to the
(実施例6)
次に、第6の実施の形態の具体例である実施例6について説明する。図7Bは、本実施例に係るFETの断面図である。
(Example 6)
Next, Example 6 which is a specific example of the sixth embodiment will be described. FIG. 7B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
このFETはシリコンなどからなる基板12上に形成される。基板12上には、格子不整合を緩和するための緩衝層13、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなるチャネル層14、AlyGa1-yN(0<y≦1)からなる電子供給層15が順に形成されている。本実施例では、上記緩衝層13、チャネル層14、電子供給層15が第1半導体層に相当する。チャネル層14の組成として0≦x≦0.2、電子供給層15の組成として0.1≦y≦0.3の範囲が最も電力制御用のスイッチングデバイスに適している。電子供給層15の上には、同じ組成でn型にドーピングされたn型AlGaNからなるコンタクト層19が形成されている。
This FET is formed on a
このコンタクト層19上に、オーム性接触のソース電極1が形成されている。ソース電極1と離間したコンタクト層19上に、ショットキ接触でドレイン電極6が形成されている。ドレイン電極6のソース電極1に近い側の一部は、コンタクト層19を貫通し電子供給層15に至るリセス内に埋め込まれている。この部分がドレイン電極埋込部7を形成している。
The
ソース電極1及びドレイン電極6が形成された間の領域では、コンタクト層19は除去されている。これにより露出した電子供給層15の表面は、表面保護膜21で覆われている。そして、ソース電極1とドレイン電極6との間の開口部に、ゲート絶縁膜22を介して電子供給層15とMIS構造を形成したゲート電極2が形成されている。ゲート電極2の一部は表面保護膜21上に乗り上げ庇状のフィールドプレート20として電界集中緩和の役割を果たす。
In the region between the
次に、実施例6に係るFETの製造方法について説明する。ここでは、チャネル層14の組成をx=0のGaN、電子供給層15の組成をy=0.2のAl0.2Ga0.8Nを一例として示す。まず、シリコンからなる基板12上に、例えば分子線エピタキシ成長法によって、アンドープAlNからなる緩衝層13(膜厚20nm)、アンドープGaNからなるチャネル層14(膜厚2μm)、アンドープAl0.2Ga0.8Nからなる電子供給層15(膜厚25nm)、n型AlGaNからなるコンタクト層19(膜厚25nm、不純物濃度1×1019cm-3)を順に形成する。
Next, a method for manufacturing the FET according to Example 6 will be described. Here, as an example, the composition of the
次いで、形成された積層構造の一部をチャネル層14が露出するまでエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。続いて、コンタクト層19上に、例えばTi/Alなどの金属を蒸着することにより、ソース電極1を形成する。そして、650℃でアニールを行うことによりオーム性接触とする。更に、ドレイン電極埋込部7を形成する位置に、コンタクト層19を貫通し電子供給層15に至るリセスをエッチングにより形成する。そして、電子供給層15上に接するようにNi/Auなどの金属を蒸着して、ショットキ接触のドレイン電極6を形成する。このうちリセスに埋め込まれた部分がドレイン電極埋込部7となる。
Next, an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the
続いて、ソース電極1及びドレイン電極6の間のコンタクト層19をエッチングにより除去し、電子供給層15を露出させる。続いて、プラズマCVD法等により、膜厚50nmのSiNからなる表面保護膜21を形成する。表面保護膜21の一部をエッチング除去することにより、電子供給層15を露出させる。そして、エッチングにより、しきい値が正となるようにリセスを形成する。露出した電子供給層15を被覆するように、例えば常圧CVD法等により、膜厚150nmのSiO2からなるゲート絶縁膜22を形成する。その上に、例えばNi/Auなどの金属を蒸着して、フィールドプレート20を有するMIS構造のゲート電極2を形成する。以上により、図7Bに示したFETを製造する。
Subsequently, the
実施例6に係るFETは、ノーマリオフ特性を有し、かつ、フィールドプレートによる電界緩和効果で高耐圧を実現できる。そのため、電力制御用のスイッチングデバイスに適している。ドレイン電極6に負電圧が印加されると、コンタクト層19に接していないドレイン電極6直下のチャネル層14がピンチオフ状態になるため、ドレイン電流が遮断されて逆阻止特性を示す。一方、ドレイン電極6に正電圧が印加されると、ドレイン電極6のコンタクト領域18に接した領域にドレイン電流が流れるため、低抵抗のオン特性が実現できる。本実施例のFETは、第5の実施例におけるコンタクト領域18に代え、エピタキシャル層であるコンタクト層19を形成したものである。そのため、実施例5と同等の性能を制御性良く実現することができる。
The FET according to Example 6 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control. When a negative voltage is applied to the
(実施の形態7)
次に、図8Aを参照して本発明の第7の実施の形態について説明する。
図8Aは、本実施の形態に係るFETの断面図である。本実施の形態では、チャネル層(第1半導体層)11上に高濃度n型エピタキシャル層であるコンタクト層(第3半導体層)19が形成されている。コンタクト層19上にオーム性接触のソース電極1と、ショットキ接触のドレイン電極6が形成されている。ドレイン電極6のゲート電極2から遠い側(第2ドレイン領域)が接するコンタクト層19の不純物濃度を十分に高く取ることにより、電子のトンネル距離を短くし、実質的にオーム性に近い接触特性を実現する。また、ドレイン電極6が形成されたn型コンタクト層19のソース電極1に近い側の一部には、コンタクト層19を貫通してチャネル層11に至るリセスが形成されている。リセス内部には、絶縁膜5を介してドレイン電極6の一部が埋め込まれ、ドレイン電極埋込部(第1ドレイン領域)7が形成されている。すなわち、ドレイン電極埋込部7はチャネル層11とMIS構造を形成している。それ以外の構成は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
(Embodiment 7)
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8A.
FIG. 8A is a cross-sectional view of the FET according to the present exemplary embodiment. In the present embodiment, a contact layer (third semiconductor layer) 19 that is a high-concentration n-type epitaxial layer is formed on the channel layer (first semiconductor layer) 11. On the
本実施形態に係るFETでは、ドレイン電極6に負電圧を印加すると、ドレイン電極埋込部7の下でチャネルがピンチオフ状態になり、電流の流れが遮蔽されることで逆阻止特性が実現される。一方、ドレイン電極6に正電圧を印加すると、コンタクト層19上に形成された低抵抗の電流パスをドレイン電流が流れ、低いオン抵抗が得られる。本実施例のFETは、実施の形態6におけるドレイン電極埋込部7をMIS構造としたものであり、実施の形態6よりも逆阻止動作時のリーク電流を低減できる。
In the FET according to this embodiment, when a negative voltage is applied to the
(実施例7)
次に、第7の実施の形態の具体例である実施例7について説明する。図8Bは、本実施例に係るFETの断面図である。
(Example 7)
Next, Example 7 which is a specific example of the seventh embodiment will be described. FIG. 8B is a cross-sectional view of the FET according to this example.
このFETはシリコンなどからなる基板12上に形成される。基板12上には、格子不整合を緩和するための緩衝層13、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなるチャネル層14、AlyGa1-yN(0<y≦1)からなる電子供給層15が順に形成されている。本実施例では、上記緩衝層13、チャネル層14、電子供給層15が第1半導体層に相当する。チャネル層14の組成として0≦x≦0.2、電子供給層15の組成として0.1≦y≦0.3の範囲が最も電力制御用のスイッチングデバイスに適している。電子供給層15の上には、同じ組成でn型にドーピングされたn型AlGaNからなるコンタクト層19が配置されている。
This FET is formed on a
このコンタクト層19上に、オーム性接触のソース電極1が形成されている。ソース電極1と離間したコンタクト層19上に、ショットキ接触のドレイン電極6が形成されている。ドレイン電極6のソース電極1に近い側の一部は、コンタクト層19を貫通し電子供給層15に至るリセス内に埋め込まれている。この部分がドレイン電極埋込部7を形成している。また、リセス内のドレイン電極埋込部7と電子供給層15との間には、ゲート絶縁膜22が形成されている。すなわち、ドレイン電極埋込部7は電子供給層15とMIS構造を形成している。
The
ソース電極1及びドレイン電極6が形成された間の領域では、コンタクト層19は除去されている。これにより露出した電子供給層15の表面は、表面保護膜21で覆われている。そして、ソース電極1とドレイン電極6との間の開口部に、ゲート絶縁膜22を介して電子供給層15とMIS構造を形成したゲート電極2が形成されている。ゲート電極2の一部は表面保護膜21上に乗り上げ庇状のフィールドプレート20として電界集中緩和の役割を果たす。
In the region between the
次に、実施例7に係るFETの製造方法について説明する。ここでは、チャネル層14の組成をx=0のGaN、電子供給層15の組成をy=0.2のAl0.2Ga0.8Nを一例として示す。まず、シリコンからなる基板12上に、例えば分子線エピタキシ成長法によって、アンドープAlNからなる緩衝層13(膜厚20nm)、アンドープGaNからなるチャネル層14(膜厚2μm)、アンドープAl0.2Ga0.8Nからなる電子供給層15(膜厚25nm)、n型AlGaNからなるコンタクト層19(膜厚25nm、不純物濃度1×1019cm-3)を順に形成する。
Next, a method for manufacturing the FET according to Example 7 will be described. Here, as an example, the composition of the
次いで、形成された積層構造の一部をチャネル層14が露出するまでエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。続いて、コンタクト層19上に、例えばTi/Alなどの金属を蒸着することにより、ソース電極1を形成する。そして、650℃でアニールを行うことによりオーム性接触とする。続いて、ドレイン電極埋込部7を形成する位置に、コンタクト層19を貫通し電子供給層15に至るリセスをエッチングにより形成する。
Next, an element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the formed laminated structure until the
更に、ゲート電極形成領域周辺のコンタクト層19をエッチングにより除去し、電子供給層15を露出させる。続いて、プラズマCVD法等により、膜厚50nmのSiNからなる表面保護膜21を形成する。表面保護膜21の一部をエッチング除去することによってAlGaN電子供給層15を露出させる。そして、しきい値が正となるようにエッチングによりリセスを形成する。ここで、ドレイン電極6を形成するコンタクト層19上の表面保護膜21も除去する。露出した電子供給層15及びコンタクト層19を被覆するように、例えば常圧CVD法等により、膜厚150nmのSiO2からなるゲート絶縁膜22を形成する。コンタクト層19上面のゲート絶縁膜22を除去後、例えばNi/Auなどの金属を蒸着して、フィールドプレート20を有するMIS構造のゲート電極2及びドレイン電極6を形成する。以上により、図8Bに示したFETを製造する。
Further, the
実施例7に係るFETは、ノーマリオフ特性を有し、かつ、フィールドプレートによる電界緩和効果で高耐圧を実現できる。そのため、電力制御用のスイッチングデバイスに適している。ドレイン電極6に負電圧が印加されると、コンタクト領域に接していないドレイン電極6すなわちドレイン電極埋込部7直下のチャネルがピンチオフ状態になるため、ドレイン電流が遮断されて逆阻止特性を示す。一方、ドレイン電極6に正電圧が印加されると、ドレイン電極6のコンタクト領域18に接した領域にドレイン電流が流れるため、低抵抗のオン特性が実現できる。本実施例のFETは、実施例6でドレイン電極埋込部7をMIS構造としたものであり、実施例6よりも逆阻止動作時のリーク電流を低減できる。
The FET according to Example 7 has normally-off characteristics and can achieve a high breakdown voltage due to the electric field relaxation effect of the field plate. Therefore, it is suitable for a switching device for power control. When a negative voltage is applied to the
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。 The present invention has been described above with reference to the embodiment, but the present invention is not limited to the above. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the invention.
この出願は、2009年1月16日に出願された日本出願特願2009-007395を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2009-007395 filed on Jan. 16, 2009, the entire disclosure of which is incorporated herein.
本発明は、例えば直接変換型電力変換回路に適用可能である。 The present invention is applicable to, for example, a direct conversion type power conversion circuit.
1 ソース電極
2 ゲート電極
3 第1ドレイン電極
4 第2ドレイン電極
5 絶縁膜
6 ドレイン電極
7 ドレイン電極埋込部
10 基板
11 チャネル層
12 基板
13 緩衝層
14 チャネル層
15 電子供給層
16 p型層
18 コンタクト領域
19 コンタクト層
20 フィールドプレート
21 表面保護膜
22 ゲート絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記第1半導体層上に形成されたソース電極と、
前記第1半導体層上において、前記ソース電極と離間して形成されたドレイン電極と、
前記第1半導体層上において、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成されたゲート電極と、を備え、
前記ドレイン電極は、
前記第1半導体層との間の逆電流が阻止された第1ドレイン領域と、
前記第1ドレイン領域よりも前記ゲート電極から離れて形成され、かつ、前記第1ドレイン領域よりも前記第1半導体層との間の抵抗が低い第2ドレイン領域と、を含む半導体装置。 A first semiconductor layer including a channel layer;
A source electrode formed on the first semiconductor layer;
A drain electrode formed on the first semiconductor layer and spaced apart from the source electrode;
A gate electrode formed between the source electrode and the drain electrode on the first semiconductor layer;
The drain electrode is
A first drain region in which a reverse current between the first semiconductor layer and the first semiconductor layer is blocked;
And a second drain region that is formed farther from the gate electrode than the first drain region and has a lower resistance to the first semiconductor layer than the first drain region.
前記第1半導体層上に、ソース電極と、ドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のゲート電極と、を形成する工程と、を備え、
前記ドレイン電極が、
前記第1半導体層との間の逆電流が阻止された第1ドレイン領域と、
前記第1ドレイン領域よりも前記ゲート電極から離れて形成され、かつ、前記第1ドレイン領域よりも前記第1半導体層との間の抵抗が低い第2ドレイン領域と、を含む半導体装置の製造方法。 Forming a first semiconductor layer including a channel layer;
Forming a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode between the source electrode and the drain electrode on the first semiconductor layer, and
The drain electrode is
A first drain region in which a reverse current between the first semiconductor layer and the first semiconductor layer is blocked;
And a second drain region formed farther from the gate electrode than the first drain region and having a lower resistance to the first semiconductor layer than the first drain region. .
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